Учебное пособие «Микросхемотехника Аналоговая микросхемотехника»

нальных узлов, а также созданы тщательно отработанные методы объединения этих узлов в полупроводниковые линейные интегральные схемы с требуемыми характеристиками. Знание этих функциональных узлов совершенно необходимо для понимания принципа действия различных схем, сравнения их характеристик, расчета параметров, существенных с точки зрения конкретного применения.

– 11 –

2. оЫМНˆЛУМ‡О¸М˚В ЫБО˚ ЛМЪВ„р‡О¸М˚ı ПЛНрУТıВП

2.1. лУТЪ‡‚М˚В Ър‡МБЛТЪУр˚

Во входных и промежуточных каскадах интегральных усилителей высокие входные сопротивления и большие коэффициенты усиления по току часто достигаются за счет использования составных транзисторов. Составной транзистор представляет собой сочетание двух или нескольких элементов, соединенных таким способом, что образуется активный трехполюсник с новыми параметрами и характеристиками.

В интегральных микросхемах (ИМС) формируются составные транзисторы, состоящие в основном из двух транзисторов. По современным технологическим методам можно изготавливать в одной изолированной области два n-p-n-транзистора, когда они имеют общий коллектор, два или несколько n-p-n-транзисторов, когда общим является эмиттер, n-p-n-транзистор с вертикальной инжекцией носителей (горизонтальная транзисторная структура) и p-n-p-транзистор с горизонтальной инжекцией носителей (вертикальная транзисторная структура), n-p-n- и p-n-p-транзисторы (оба с вертикальной инжекцией носителей), когда последний реализуется на подложке. Однако составные интегральные транзисторы не обязательно должны создаваться в одной изолированной области, они могут формироваться в разных изолированных областях, а соединяться в составной транзистор с помощью межэле-

– 12 –

ментных соединений (металлизаций), которые представляют собой алюминиевые дорожки на кристалле.

Сочетание двух биполярных транзисторов одного или разных типов проводимости, а также биполярного и полевого транзисторов, наконец, двух полевых транзисторов с одинаковыми и противоположными проводимостями каналов позволяет получить схемы составных транзисторов (таблица 2.1).

В этих схемах составных транзисторов используются известные схемы нормального включения транзисторов (общий исток, общий сток, общий затвор для полевых и общий эмиттер, общий коллектор, общая база для биполярных). Если учитывать инверсное включение транзисторов, а также противоположные типы проводимости транзисторов, составных транзисторных схем может быть получено гораздо больше.

Среди составных транзисторов наибольшее распространение имеет так называемая пара Дарлингтона (рисунок 2.1).

1 1 Iб

Iэ 1 1 1 2 Iб

Рисунок 2.1 – Схема пары Дарлингтона

При анализе схемы пару Дарлингтона можно рассматривать как один n-p-n-транзистор. Допустив, что коэффициенты усиления по постоянному току равны коэффициентам усиления по переменному току для малого сигнала и обозначив через Iэ ток покоя

эмиттера эквивалентного транзистора, получим

– 13 –

Таблица 2.1 — Схемы составных транзисторов

– 14 –

где Iэ1, Iэ2 — эмиттерные токи покоя транзисторов VT1 и VT2 со-

ответственно.

Результирующий коэффициент усиления по току пары Дарлингтона в режиме короткого замыкания приблизительно равен произведению коэффициентов усиления отдельных транзисторов:

Результирующее входное сопротивление в режиме короткого замыкания

примерно равно удвоенному входному сопротивлению транзистора с выходным током Iэ и коэффициентом усиления по току .

Таким образом, проводимость прямой передачи эквивалентного транзистора

составляет только половину полной проводимости прямой передачи в режиме короткого замыкания транзистора при токе эмиттера Iэ.

Пара Дарлингтона, обладая рядом преимуществ по сравнению

содиночным транзистором, имеет и принципиальные недостатки:

результирующий коэффициент усиления по току определяется произведением 1 и 2 , значение которого изменяется боль-

ше, чем коэффициент усиления одного транзистора;  два перехода база-эмиттер включены последовательно и ток

эмиттера транзистора VT1 зависит от коэффициента усиления по току транзистора VT2, поэтому результирующее напряжение базаэмиттер и его температурная зависимость подвержены значительным изменениям;

– 15 –

 коэффициент шума пары Дарлингтона превышает коэффициент шума одного транзистора даже при оптимальном сопротивлении источника сигнала.

Указанные недостатки можно частично устранить, если к эмиттеру транзистора VT1 подключить внешний источник тока. В простейшей модификации схемы Дарлингтона, представленной на рисунке 2.2,а, переход база-эмиттер транзистора VT2 зашунтирован резистором R1.

Рисунок 2.2 — Модифицированные схемы пар Дарлингтона

При оптимальном сопротивлении этого резистора протекающий через него ток примерно в 2 раз превышает ток базы

транзистора VT2 при напряжении на переходе база-эмиттер 0,5–0,7 В. Несмотря на пропорциональное уменьшение результирующего коэффициента усиления по току, общие показатели качества существенно улучшаются, поскольку значительно ослабляется зависимость эмиттерного тока и напряжения база-эмиттер транзистора VT1 от коэффициента усиления по току транзистора VT2. Кроме того, обеспечивается оптимальное сопротивление источника сигнала для транзистора VT2, что позволяет получить минимальное значение коэффициента шума.

– 16 –

Тем не менее, в рассмотренной модификации температурная стабильность остается невысокой. Изменения температуры вызывают дрейф напряжения база-эмиттер транзистора VT2, равный –2,3 мВ/ С, что в свою очередь приводит к пропорциональным изменениям тока, протекающего через резистор R1, а следовательно, и эмиттерного тока транзистора VT1. В интегральных схемах на эту температурную зависимость дополнительно влияет положительный температурный коэффициент сопротивления R1.

Температурную стабильность можно улучшить путем введения третьего транзистора в диодном включении (рисунок 2.2,б). Транзисторы VT2 и VT3 имеют одинаковые площади эмиттеров, но различные эмиттерные токи ( Ιэ3 Ιэ2 ). Поскольку Ιэ3 меньше

Ιэ2 , напряжение база-эмиттер транзистора VT3 меньше напряже-

значение сопротивления R1 можно выбрать таким, что падение напряжения Ιэ3R1 будет равняться разности Uбэ. Вследствие

этого температурный коэффициент Uбэ будет компенсироваться

положительным температурным коэффициентом сопротивления

R1.

Широко распространенный способ преодоления недостатков, обусловленных принципиально малым коэффициентом усиления по току интегральных p-n-p-транзисторов, заключается в использовании составных транзисторов, которые содержат так называемый дополняющий p-n-p- и обычный n-p-n-транзистор (рисунок 2.3). Такой транзистор можно назвать составным p-n-p- транзистором. Общий коэффициент усиления по току записы-

вается в виде

Если принять, что коэффициенты усиления по постоянному току равны коэффициентам усиления по переменному току для малого сигнала, то можно показать, что полная проводимость прямой передачи в режиме короткого замыкания y21 и полная вы-

ходная проводимость в режиме холостого хода h22 составного

– 17 –

транзистора идентичны соответствующим параметрам транзистора, эмиттерный ток и коэффициент усиления которого равны Ιэ3

и 1(1 2 ):

где 1 — коэффициент модуляции ширины базы транзистора VT1.

э

Рисунок 2.3 — Составной p-n-p-транзистор

Интегральные p-n-p-транзисторы уступают n-p-n-транзисто- рам, в частности, по коэффициенту усиления . В этом отноше-

нии составной p-n-p-транзистор обладает явными преимуществами, так как его коэффициент усиления превышает коэффициент усиления n-p-n-транзистора, входящего в состав схемы. Быстродействие составного транзистора такое же, как у составляющего p-n-p-транзистора, то есть хуже, чем у n-p-n-транзистора.

– 18 –

2.2. аТЪУ˜МЛНЛ ФУТЪУflММУ„У ЪУН‡

Источники тока на основе активных элементов образуют важный класс функциональных узлов ИМС. Создать идеальный источник тока невозможно, но существуют способы, позволяющие получить очень близкую аппроксимацию идеального источника. В этом случае, например, широко используется тот факт, что для транзистора в активном режиме ток коллектора относительно независим от напряжения на коллекторе. Таким образом, биполярный транзистор можно использовать в качестве управляемого источника тока, однако зависимость его коэффициента усиления от ряда факторов (таких как температура, рабочие ток эмиттера и коллекторное напряжение, технологический разброс параметров) исключает возможность его применения для этих целей при жестких требованиях к допустимым изменениям. Наличие согласованных по характеристикам пар транзисторов, изготавливаемых по одной технологии, позволяет создавать схемы с небольшими, но чрезвычайно стабильными коэффициентами усиления. На рисунке 2.4 показана одна из наиболее распространенных схем такого типа.

Рисунок 2.4 — Интегральный источник тока, управляемый током (токовое зеркало)

Поскольку транзисторы идентичны, они оба находятся в активной области с одинаковыми напряжениями между базой и эмиттером и их коллекторные токи приблизительно равны: Ιк1 Ιк2 . Так как

– 19 –

транзисторов ИМС много больше единицы, поэтому можно утверждать, что Ιвых Ιк1 Ιвх, а это значит, что отношение

Ιвых 1, то есть коэффициент усиления по току приблизительно

Ιвх

равен единице.

Источник постоянного тока с единичным коэффициентом усиления иногда называют токовым зеркалом, так как ток, текущий через левую часть схемы, является по существу зеркальным отражением тока в правой части. Схема токового зеркала служит основой большинства схем источников тока, а также большинства схем активной нагрузки дифференциального усилителя.

Недостатки этой схемы состоят в том, что общий коэффициент усиления по току сохраняет некоторую зависимость от коэффициентов усиления отдельных транзисторов, а выходное сопротивление относительно невелико. Эти недостатки частично можно скомпенсировать путем введения третьего транзистора, как показано на рисунке 2.5. Для правильной работы этой схемы все три транзистора должны находиться в активной области. Поскольку падение напряжения на VT2 равно Uбэ, то есть приблизительно

0,6 В, и напряжение, необходимое для того, чтобы предотвратить насыщение транзистора VT3, составляет примерно 0,2 В, на транзисторах VT2 и VT3 суммарное напряжение будет приблизительно

0,8 В.

Можно показать, что если транзисторы имеют одинаковую геометрию и температуру, то общий коэффициент усиления по току определяется выражением

– 20 –